Pembuatan, pencirian, dan uji daya adsorpsi arang aktif dari kayu meranti merah (Shorea Sp.)
i
ARDILES ACHMAD. Pembuatan, Pencirian, dan Uji Daya Adsorpsi Arang Aktif
dari Kayu Meranti Merah (Shorea sp.). Dibimbing oleh KOMAR SUTRIAH dan
GUSTAN PARI.
Kayu meranti merah (Shorea sp.) banyak digunakan sebagai bahan baku
furnitur dan bahan bangunan sehingga menghasilkan banyak limbah kayu. Dalam
penelitian ini, limbah kayu tersebut dimanfaatkan untuk membuat arang aktif
sehingga memiliki nilai guna. Arang aktif yang dihasilkan diuji sebagai adsorben
pada pengolahan limbah logam kromium dan mangan dari industri. Pengaktifan
arang dilakukan dengan 3 faktor, yaitu bahan kimia pengaktif, steam uap air, dan
waktu aktivasi. Sebagai indikator kualitas arang aktif digunakan Standar Nasional
Indonesia (SNI 06-3730-1995). Dilakukan juga penentuan luas permukaan
spesifik dan pola struktur arang aktif. Arang aktif komersial digunakan sebagai
pembanding. Hasil penelitian menunjukkan bahwa arang aktif terbaik berdasarkan
daya jerap iodin dan baku mutu SNI adalah arang yang diaktivasi menggunakan
steam uap air selama 90 menit tanpa bahan kimia pengaktif (HCl 5%). Arang aktif
terbaik mampu menurunkan logam kromium dan mangan berturut-turut sampai
58.11 dan 5.85%. Mekanisme adsorpsi mengikuti isoterm Freundlich, dan dosis
yang diperoleh dari persamaan isoterm tersebut dapat menurunkan konsentrasi
kromium sampai 99.99% dari limbah industri.
ARDILES ACHMAD. Production, Characterization, and Adsorption Capability
of Activated Carbon from Wood of Red Meranti (Shorea sp.). Supervised by
KOMAR SUTRIAH and GUSTAN PARI.
Wood of red meranti (Shorea sp.) is utilized widely as furniture and
construction material and produces plenty of wood waste. In this research, the
wood waste was used as activated charcoal raw material to improve its utility. The
activated charcoal produced was tested as absorbent in industrial chromium and
manganese metal waste processing. Carbon activation was relied on 3 factors,
namely activator chemicals, water vapour steam, and activation time. As the
quality indicators of activated carbon Indonesian National Standard (SNI 063730-1995) was used. The specific surface area and structure pattern of activated
carbon were also determined. Commercial activated carbon was also studied as
reference. The results showed that the best activated carbon based on iodine
adsorption activity and SNI’s standard quality was carbon activated with water
vapour steam for 90 minutes without activator chemicals (HCl 5%). The best
activated carbon was capable to reduce chromium and manganese concentration
up to 58.11 and 5.85%, respectively. The adsorption mechanism followed
Freundlich isotherm, and the dosage obtained from the isotherm equation could
reduce 99.99% of chromium concentration from industrial waste.
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
Judul
: Pembuatan, Pencirian, dan Uji Daya Adsorpsi Arang Aktif dari Kayu
Meranti Merah (Shorea sp.)
Nama : Ardiles Achmad
NIM : G44086014
Disetujui
Pembimbing II
Pembimbing I
!" #$ %"&
NIP 19630705 199103 1 004
'
# $"( " %
%
NIP 19620802 198603 1 003
Diketahui
Ketua Departemen Kimia
'
Tanggal Lulus :
#( )*+" ","*%
NIP 19501227 197603 2 002
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala
nikmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Karya
ilmiah ini berjudul Pembuatan, Pencirian, dan Uji Daya Adsorpsi Arang Aktif
dari Kayu Meranti Merah (Shorea sp.) yang dilaksanakan pada bulan Oktober
2010 sampai dengan Mei 2011 bertempat di Laboratorium Kimia Terpadu Pusat
Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Bogor.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Drs. Komar Sutriah, MS dan
Bapak Prof(R). Dr. Gustan Pari, MSi selaku pembimbing. Ungkapan terima kasih
dihaturkan kepada kedua orang tua, atas segala doa dan perhatiannya. Ungkapan
terima kasih juga penulis sampaikan kepada staf Laboratorium Kimia Terpadu
Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Bogor, Bapak Mahpudin, Bapak
Dadang, dan Bapak Dikdik atas bantuannya. Penulis haturkan terima kasih kepada
Bapak M. Inoki beserta staf Laboratorium Dinas Kesehatan Kota Bogor dan
rekan-rekan mahasiswa Program Penyelenggaraan Khusus Departemen Kimia
IPB. Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu
pengetahuan.
Bogor, Juni 2011
Ardiles Achmad
Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 25 Maret 1985 dari ayah Ahmad
Didik dan ibu Masitoh. Penulis adalah putra pertama dari 3 bersaudara. Tahun
2003 penulis lulus dari SMU Negeri 3 Bogor dan pada tahun yang sama lulus
seleksi masuk Akademi Kimia Analisis (AKA) Bogor dan menyelesaikannya
pada tahun 2006. Tahun 2008 penulis melanjutkan pendidikan sarjana di Program
S1 Penyelenggaraan Khusus Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah mendapatkan penghargaan
sebagai salah satu Mahasiswa Berprestasi Akademi Kimia Analisis tahun
akademik 2004/2005. Penulis juga pernah aktif sebagai Ketua Lembaga Dakwah
Kampus Keluarga Muslim AKA periode tahun 2005/2006 dan Ketua Forum
Silaturrahim Alumni DKM Al-Ghufron SMAN 3 Bogor pada periode tahun yang
sama. Penulis juga pernah mengikuti Forum Silaturrahim Lembaga Dakwah
Kampus Nasional XIII di Universitas Mulawarman, Samarinda, Kalimantan
Timur pada tahun 2005. Bulan April–Juni 2006 penulis melaksanakan Praktik
Lapangan di Dinas Penelitian dan Laboratorium Pertamina, Pulo Gadung, Jakarta
Timur dengan judul Adsorpsi Warna Bahan Pengotor Lilin Menggunakan
Beberapa Jenis Lempung.
Penulis pernah bekerja di beberapa perusahaan, yaitu di PT. Bintang
Toedjoe, PT. Metito Indonesia, dan PT. MAKIN Group. Penulis juga pernah
mengikuti pelatihan Pengantar Sistem Manajemen Lingkungan (ISO 14001);
Pengantar Manajemen Mutu (ISO 9001:2001); Awareness, Interpretation and
Documentation ISO 9001:2000; Fundamentals of Liquid Chromatograph (LC-01)
Agilent Technologies Training; dan Basic Liquid Chromatograph Maintenance
and Troubleshooting (LC-02) Agilent Technologies Training. Penulis juga pernah
mendapatkan penghargaan Director Award pada Festival Inovasi MAKIN Group
2009 atas Karya Inovatif dalam Kategori Pemanfaatan Limbah.
"."!"(
DAFTAR TABEL .............................................................................................. vii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... vii
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... viii
PENDAHULUAN .............................................................................................. 1
TINJAUAN PUSTAKA
Kayu Meranti Merah ....................................................................................
Arang ............................................................................................................
Arang Aktif...................................................................................................
Adsorpsi........................................................................................................
Isoterm Adsorpsi ..........................................................................................
Luas Permukaan Spesifik .............................................................................
Pencirian Pola Struktur .................................................................................
1
1
1
2
2
3
3
METODE
Bahan dan Alat .............................................................................................
Lingkup Kerja...............................................................................................
Pembuatan Arang .........................................................................................
Pembuatan Arang Aktif ................................................................................
Uji Kualitas Arang Aktif ..............................................................................
Pencirian Arang Aktif ..................................................................................
Uji Aplikasi ..................................................................................................
4
4
4
4
4
6
7
HASIL DAN PEMBAHASAN
Arang ............................................................................................................
Arang Aktif...................................................................................................
Uji Kualitas Arang Aktif ..............................................................................
Pencirian Arang Aktif ..................................................................................
Uji Aplikasi ..................................................................................................
7
7
7
10
14
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan ....................................................................................................... 14
Saran ............................................................................................................. 15
DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 15
LAMPIRAN ....................................................................................................... 17
vi
"."!"(
1
Derajat kristalinitas (X), sudut difraksi (θ), jarak antarlapisan (d), tinggi
(Lc), lebar (La), serta jumlah (N) lapisan aromatik pada arang meranti
merah (AMM), arang aktif meranti merah (AAMM) terbaik, dan arang
aktif komersial (AAK)................................................................................ 12
2
Rerata konsentrasi logam Cr yang teradsorpsi AAMM dan AAK ............. 12
3
Rerata konsentrasi logam Mn yang teradsorpsi AAMM dan AAK ........... 12
4
Rerata kadar Cr dan Mn dalam limbah pada uji aplikasi AAMM terbaik . 14
5
Rerata kadar Cr dan Mn dalam simulasi limbah campuran pada uji
aplikasi AAMM terbaik .............................................................................. 14
6
Rerata kadar logam Cr dalam limbah pada uji aplikasi AAMM terbaik
berdasarkan persamaan isoterm Freundlich ............................................... 14
"."!"(
1
Skema tinggi lapisan (Lc), jarak antarlapisan (d), dan lebar lapisan (La)
struktur kristalit arang aktif ........................................................................ 3
2
Rendemen arang aktif meranti merah ........................................................ 8
3
Kadar air arang aktif meranti merah ........................................................... 8
4
Kadar zat terbang arang aktif meranti merah ............................................. 8
5
Kadar abu arang aktif meranti merah ......................................................... 9
6
Kadar karbon terikat arang aktif meranti merah ........................................ 9
7
Daya jerap iodin arang aktif meranti merah ............................................... 9
8
Daya jerap benzena arang aktif meranti merah .......................................... 10
9
Daya jerap biru metilena arang aktif meranti merah .................................. 10
10
Konsentrasi optimum berdasarkan daya jerap iodin .................................. 11
11
Waktu optimum berdasarkan daya jerap iodin ........................................... 11
12
Luas permukaan spesifik (LPS) arang aktif meranti merah dengan
metode biru metilena (BM) dan iodin ....................................................... 11
13
Difraktogram AMM, AAK, dan AAMM terbaik ....................................... 12
14
Isoterm Freundlich adsorpsi Cr oleh AAMM terbaik ................................ 13
15
Isoterm Langmuir adsorpsi Cr oleh AAMM terbaik .................................. 13
16
Isoterm Freundlich adsorpsi larutan iodin oleh AAMM terbaik ................ 13
17
Isoterm Langmuir adsorpsi larutan iodin oleh AAMM terbaik ................. 13
vii
"."!"(
1
Data ekspor arang aktif tahun 2003–2007 .................................................. 18
2
Baku mutu arang aktif teknis menurut SNI 06-3730-95 ............................ 18
3
Penggunaan arang aktif dalam industri ...................................................... 19
4
Diagram alir penelitian ............................................................................... 20
5
Tungku pengarangan dan aktivasi .............................................................. 21
6
Rendemen arang kayu meranti merah ........................................................ 21
7
Tanur untuk membuat arang aktif yang terbuat dari baja nirkarat yang
dilengkapi dengan termokopel ................................................................... 22
8
Rekapitulasi dan perhitungan data kualitas arang aktif meranti merah...... 23
9
Bobot dan waktu optimum ......................................................................... 27
10
Luas permukaan spesifik (LPS) ................................................................. 28
11
Analisis difraksi sinar-X (XRD)................................................................. 30
12
Analisis ragam untuk uji daya adsorpsi terhadap logam Cr dan Mn .......... 30
13
Isoterm Freundlich dan Langmuir untuk adsorpsi logam Cr dan larutan
iodin oleh AAMM terbaik .......................................................................... 31
14
Penentuan bobot (dosis) AAMM terbaik untuk uji aplikasi terhadap
limbah Cr .................................................................................................... 32
viii
1
Arang aktif merupakan material yang
dapat
mengadsorpsi
senyawa-senyawa
tertentu yang ingin dikeluarkan dari suatu
sistem. Arang aktif banyak digunakan sebagai
bahan pengadsorpsi polutan berkadar rendah,
misalnya dalam pemurnian air, industri
makanan, minuman, kimia, dan farmasi.
(Redjeki et al. 2006). Kebutuhan dunia
industri di luar negeri terhadap arang aktif
terus meningkat. Dari data Departemen
Kehutanan (2008), volume ekspor arang aktif
tahun 2003–2007 mengalami peningkatan
(Lampiran 1).
Arang aktif dapat dibuat dari berbagai
bahan baku yang mengandung karbon, di
antaranya kayu (Othmer 2004). Jenis kayu
yang pernah dibuat arang aktif antara lain
Pinus merkusii, Paraserianthes falcataria,
dan Acacia magnium, sedangkan jenis kayu
meranti merah (Shorea sp.) belum banyak
digunakan. Kayu meranti merah banyak
digunakan sebagai kusen bahan bangunan dan
dalam pembuatannya banyak menghasilkan
limbah kayu. Untuk memanfaatkan limbah
kayu tersebut, dicoba untuk membuat arang
aktif dan diuji daya adsorpsinya. Sebagai
pembanding, digunakan arang aktif komersial
yang ada di pasaran. Arang aktif komersial
biasanya terbuat dari tempurung kelapa yang
mempunyai struktur makropori lebih sedikit
dibandingkan dengan arang aktif dari bahan
kayu (Pari 2004).
Penelitian ini merupakan lanjutan dan
pengembangan dari penelitian sebelumnya
yang dilakukan oleh Redjeki et al. (2006).
Pada penelitian tersebut, arang aktif dibuat
menggunakan asam fosfat sebagai bahan
pengaktif dan dipanaskan pada suhu 900 °C
tanpa variasi perlakuan. Diperoleh arang aktif
yang memiliki daya adsorpsi cukup baik
dengan daya jerap iodin mencapai 908.3 mg/g.
Namun, kadar airnya tinggi, yaitu 20.77%,
dan tidak memenuhi persyaratan Standar
Nasional Indonesia (SNI 1995), yaitu
maksimum 15% untuk arang aktif berbentuk
serbuk.
Tujuan penelitian ini ialah membuat,
menguji kualitas, dan membandingkan daya
adsorpsi arang aktif dari kayu meranti merah
dengan arang aktif komersial yang diaktivasi
secara kimia dan fisika. Standar yang
digunakan dalam uji kualitas arang aktif ialah
SNI nomor 06-3730-1995 (Lampiran 2) untuk
parameter kadar air, zat terbang, abu, dan
karbon terikat, serta daya jerap iodin, biru
metilena, dan benzena. Selain itu, penelitian
ini bertujuan menentukan perlakuan terbaik
yang memberikan daya jerap paling optimum
berdasarkan waktu steam uap air dan bahan
kimia yang digunakan pada proses aktivasi,
mencirikan pola struktur dan isoterm adsorpsi,
serta menguji aplikasi arang aktif terhadap
polutan dalam limbah industri.
"/#
) "($%
) "&
Kayu meranti merah memiliki nama
botanis Shorea sp. dan termasuk dalam famili
Dipterocarpaceae.
Kayu
ini
beragam
warnanya mulai dari hampir putih, cokelat
pucat, merah, cokelat muda, atau cokelat tua.
Teksturnya agak kasar sampai kasar dan
merata dengan arah serat kadang-kadang
hampir lurus atau bergelombang. Permukaan
kayu licin atau agak licin dan kebanyakan
agak mengilap.
Kayu meranti merah pada umumnya
mudah diolah. Kayunya mudah digergaji dan
diampelas dengan baik sehingga banyak
digunakan
sebagai
bahan
bangunan
perumahan seperti kaso, pintu, dan jendela
serta balok. Selain itu, dapat digunakan
sebagai kayu perkapalan (perahu, kapal kecil,
dan bagian-bagian kapal), peti mati, peti
pengepak, dan alat musik (pipa organ).
Daerah penyebarannya ada di seluruh
Sumatera, Kalimantan, Sulawesi, dan Maluku
(Heyne 1987).
"(0
Menurut Djatmiko et al. (1985), arang
adalah bahan padat berpori hasil pembakaran
dari bahan yang mengandung unsur karbon.
Sebagian besar pori-porinya masih tertutup
oleh hidrokarbon, ter, dan senyawa organik
lain. Komponen arang terdiri atas karbon
terikat, abu, air, nitrogen, dan sulfur. Arang
kayu merupakan residu hasil penguraian atau
pemecahan kayu karena panas, sebagian besar
komponen kimianya adalah karbon.
"(0 1$%'
Menurut Hartoyo (1974), arang aktif
berbentuk amorf, berwarna hitam, tak berbau,
tak berasa, serta mempunyai daya adsorpsi
jauh lebih besar dibandingkan dengan arang
yang belum diaktivasi. Daya adsorpsi dapat
2
digambarkan oleh luas permukaan spesifik
(luas permukaan/gram). Umumnya luas
permukaan spesifik arang aktif berkisar antara
500 dan 1500 m2/g.
Arang aktif dapat dibedakan dengan arang
dari sifat permukaannya. Permukaan arang
masih ditutupi deposit hidrokarbon yang
menghalangi keaktifannya. Pada arang aktif,
permukaannya telah bebas dari deposit
hidrokarbon sehingga mampu melakukan
adsorpsi pada pori-porinya yang telah terbuka
(Syarief 1997).
Pembuatan arang aktif dapat dilakukan
melalui tahapan penghilangan air (dehidrasi),
perubahan bahan organik menjadi unsur
karbon (mengusir unsur non-karbon), dan
dekomposisi ter sehingga pori-pori arang
menjadi
besar.
Pertama-tama,
bahan
dipanaskan sampai suhu 170 oC untuk
mengeluarkan CO2, CO, dan uap asam asetat.
Pada suhu 275 oC terjadi dekomposisi bahan
dan terbentuk hasil samping seperti ter,
metanol, dan fenol. Hampir 80% unsur karbon
diperoleh pada suhu 400–600 oC. Selama
proses pirolisis ini, bahan sumber karbon
mengalami fragmentasi yang akhirnya
membentuk struktur heksagonal yang
termostabil (Pari 2004).
Pada umumnya arang aktif digunakan
sebagai bahan pembersih dan penjerap, juga
sebagai bahan pengemban katalis. Pada
industri karet ban, arang aktif yang
mempunyai sifat radikal dan serbuk sangat
halus, digunakan sebagai bahan aditif
kopolimer (Lampiran 3).
*
2%
Menurut
Atkins
(1999),
adsorpsi
merupakan peristiwa terakumulasinya partikel
pada permukaan/antarmuka. Partikel yang
terakumulasi dan terjerap oleh permukaan
disebut adsorbat dan material tempat
terjadinya adsorpsi disebut adsorben.
Proses adsorpsi terdiri atas 2 tipe, yaitu
adsorpsi kimia dan fisika. Pada adsorpsi kimia,
molekul menempel pada permukaan melalui
pembentukan ikatan kimia. Ciri-cirinya adalah
terjadi pada suhu tinggi, interaksinya kuat,
terbentuk ikatan kimia (umumnya kovalen)
antara permukaan adsorben dan adsorbat,
entalpinya tinggi (∆H 400 kJ/mol), adsorpsi
terjadi hanya pada satu lapisan (monolayer),
dan energi aktivasinya tinggi. Sementara
adsorpsi fisika adalah penempelan adsorbat
pada
permukaan
melalui
interaksi
antarmolekul yang lemah. Ciri-cirinya, terjadi
pada suhu rendah, jenis interaksinya ialah
reaksi antarmolekul (gaya van der Waals),
entalpi rendah (∆H
ARDILES ACHMAD. Pembuatan, Pencirian, dan Uji Daya Adsorpsi Arang Aktif
dari Kayu Meranti Merah (Shorea sp.). Dibimbing oleh KOMAR SUTRIAH dan
GUSTAN PARI.
Kayu meranti merah (Shorea sp.) banyak digunakan sebagai bahan baku
furnitur dan bahan bangunan sehingga menghasilkan banyak limbah kayu. Dalam
penelitian ini, limbah kayu tersebut dimanfaatkan untuk membuat arang aktif
sehingga memiliki nilai guna. Arang aktif yang dihasilkan diuji sebagai adsorben
pada pengolahan limbah logam kromium dan mangan dari industri. Pengaktifan
arang dilakukan dengan 3 faktor, yaitu bahan kimia pengaktif, steam uap air, dan
waktu aktivasi. Sebagai indikator kualitas arang aktif digunakan Standar Nasional
Indonesia (SNI 06-3730-1995). Dilakukan juga penentuan luas permukaan
spesifik dan pola struktur arang aktif. Arang aktif komersial digunakan sebagai
pembanding. Hasil penelitian menunjukkan bahwa arang aktif terbaik berdasarkan
daya jerap iodin dan baku mutu SNI adalah arang yang diaktivasi menggunakan
steam uap air selama 90 menit tanpa bahan kimia pengaktif (HCl 5%). Arang aktif
terbaik mampu menurunkan logam kromium dan mangan berturut-turut sampai
58.11 dan 5.85%. Mekanisme adsorpsi mengikuti isoterm Freundlich, dan dosis
yang diperoleh dari persamaan isoterm tersebut dapat menurunkan konsentrasi
kromium sampai 99.99% dari limbah industri.
ARDILES ACHMAD. Production, Characterization, and Adsorption Capability
of Activated Carbon from Wood of Red Meranti (Shorea sp.). Supervised by
KOMAR SUTRIAH and GUSTAN PARI.
Wood of red meranti (Shorea sp.) is utilized widely as furniture and
construction material and produces plenty of wood waste. In this research, the
wood waste was used as activated charcoal raw material to improve its utility. The
activated charcoal produced was tested as absorbent in industrial chromium and
manganese metal waste processing. Carbon activation was relied on 3 factors,
namely activator chemicals, water vapour steam, and activation time. As the
quality indicators of activated carbon Indonesian National Standard (SNI 063730-1995) was used. The specific surface area and structure pattern of activated
carbon were also determined. Commercial activated carbon was also studied as
reference. The results showed that the best activated carbon based on iodine
adsorption activity and SNI’s standard quality was carbon activated with water
vapour steam for 90 minutes without activator chemicals (HCl 5%). The best
activated carbon was capable to reduce chromium and manganese concentration
up to 58.11 and 5.85%, respectively. The adsorption mechanism followed
Freundlich isotherm, and the dosage obtained from the isotherm equation could
reduce 99.99% of chromium concentration from industrial waste.
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
Judul
: Pembuatan, Pencirian, dan Uji Daya Adsorpsi Arang Aktif dari Kayu
Meranti Merah (Shorea sp.)
Nama : Ardiles Achmad
NIM : G44086014
Disetujui
Pembimbing II
Pembimbing I
!" #$ %"&
NIP 19630705 199103 1 004
'
# $"( " %
%
NIP 19620802 198603 1 003
Diketahui
Ketua Departemen Kimia
'
Tanggal Lulus :
#( )*+" ","*%
NIP 19501227 197603 2 002
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala
nikmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Karya
ilmiah ini berjudul Pembuatan, Pencirian, dan Uji Daya Adsorpsi Arang Aktif
dari Kayu Meranti Merah (Shorea sp.) yang dilaksanakan pada bulan Oktober
2010 sampai dengan Mei 2011 bertempat di Laboratorium Kimia Terpadu Pusat
Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Bogor.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Drs. Komar Sutriah, MS dan
Bapak Prof(R). Dr. Gustan Pari, MSi selaku pembimbing. Ungkapan terima kasih
dihaturkan kepada kedua orang tua, atas segala doa dan perhatiannya. Ungkapan
terima kasih juga penulis sampaikan kepada staf Laboratorium Kimia Terpadu
Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Bogor, Bapak Mahpudin, Bapak
Dadang, dan Bapak Dikdik atas bantuannya. Penulis haturkan terima kasih kepada
Bapak M. Inoki beserta staf Laboratorium Dinas Kesehatan Kota Bogor dan
rekan-rekan mahasiswa Program Penyelenggaraan Khusus Departemen Kimia
IPB. Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu
pengetahuan.
Bogor, Juni 2011
Ardiles Achmad
Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 25 Maret 1985 dari ayah Ahmad
Didik dan ibu Masitoh. Penulis adalah putra pertama dari 3 bersaudara. Tahun
2003 penulis lulus dari SMU Negeri 3 Bogor dan pada tahun yang sama lulus
seleksi masuk Akademi Kimia Analisis (AKA) Bogor dan menyelesaikannya
pada tahun 2006. Tahun 2008 penulis melanjutkan pendidikan sarjana di Program
S1 Penyelenggaraan Khusus Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah mendapatkan penghargaan
sebagai salah satu Mahasiswa Berprestasi Akademi Kimia Analisis tahun
akademik 2004/2005. Penulis juga pernah aktif sebagai Ketua Lembaga Dakwah
Kampus Keluarga Muslim AKA periode tahun 2005/2006 dan Ketua Forum
Silaturrahim Alumni DKM Al-Ghufron SMAN 3 Bogor pada periode tahun yang
sama. Penulis juga pernah mengikuti Forum Silaturrahim Lembaga Dakwah
Kampus Nasional XIII di Universitas Mulawarman, Samarinda, Kalimantan
Timur pada tahun 2005. Bulan April–Juni 2006 penulis melaksanakan Praktik
Lapangan di Dinas Penelitian dan Laboratorium Pertamina, Pulo Gadung, Jakarta
Timur dengan judul Adsorpsi Warna Bahan Pengotor Lilin Menggunakan
Beberapa Jenis Lempung.
Penulis pernah bekerja di beberapa perusahaan, yaitu di PT. Bintang
Toedjoe, PT. Metito Indonesia, dan PT. MAKIN Group. Penulis juga pernah
mengikuti pelatihan Pengantar Sistem Manajemen Lingkungan (ISO 14001);
Pengantar Manajemen Mutu (ISO 9001:2001); Awareness, Interpretation and
Documentation ISO 9001:2000; Fundamentals of Liquid Chromatograph (LC-01)
Agilent Technologies Training; dan Basic Liquid Chromatograph Maintenance
and Troubleshooting (LC-02) Agilent Technologies Training. Penulis juga pernah
mendapatkan penghargaan Director Award pada Festival Inovasi MAKIN Group
2009 atas Karya Inovatif dalam Kategori Pemanfaatan Limbah.
"."!"(
DAFTAR TABEL .............................................................................................. vii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... vii
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... viii
PENDAHULUAN .............................................................................................. 1
TINJAUAN PUSTAKA
Kayu Meranti Merah ....................................................................................
Arang ............................................................................................................
Arang Aktif...................................................................................................
Adsorpsi........................................................................................................
Isoterm Adsorpsi ..........................................................................................
Luas Permukaan Spesifik .............................................................................
Pencirian Pola Struktur .................................................................................
1
1
1
2
2
3
3
METODE
Bahan dan Alat .............................................................................................
Lingkup Kerja...............................................................................................
Pembuatan Arang .........................................................................................
Pembuatan Arang Aktif ................................................................................
Uji Kualitas Arang Aktif ..............................................................................
Pencirian Arang Aktif ..................................................................................
Uji Aplikasi ..................................................................................................
4
4
4
4
4
6
7
HASIL DAN PEMBAHASAN
Arang ............................................................................................................
Arang Aktif...................................................................................................
Uji Kualitas Arang Aktif ..............................................................................
Pencirian Arang Aktif ..................................................................................
Uji Aplikasi ..................................................................................................
7
7
7
10
14
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan ....................................................................................................... 14
Saran ............................................................................................................. 15
DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 15
LAMPIRAN ....................................................................................................... 17
vi
"."!"(
1
Derajat kristalinitas (X), sudut difraksi (θ), jarak antarlapisan (d), tinggi
(Lc), lebar (La), serta jumlah (N) lapisan aromatik pada arang meranti
merah (AMM), arang aktif meranti merah (AAMM) terbaik, dan arang
aktif komersial (AAK)................................................................................ 12
2
Rerata konsentrasi logam Cr yang teradsorpsi AAMM dan AAK ............. 12
3
Rerata konsentrasi logam Mn yang teradsorpsi AAMM dan AAK ........... 12
4
Rerata kadar Cr dan Mn dalam limbah pada uji aplikasi AAMM terbaik . 14
5
Rerata kadar Cr dan Mn dalam simulasi limbah campuran pada uji
aplikasi AAMM terbaik .............................................................................. 14
6
Rerata kadar logam Cr dalam limbah pada uji aplikasi AAMM terbaik
berdasarkan persamaan isoterm Freundlich ............................................... 14
"."!"(
1
Skema tinggi lapisan (Lc), jarak antarlapisan (d), dan lebar lapisan (La)
struktur kristalit arang aktif ........................................................................ 3
2
Rendemen arang aktif meranti merah ........................................................ 8
3
Kadar air arang aktif meranti merah ........................................................... 8
4
Kadar zat terbang arang aktif meranti merah ............................................. 8
5
Kadar abu arang aktif meranti merah ......................................................... 9
6
Kadar karbon terikat arang aktif meranti merah ........................................ 9
7
Daya jerap iodin arang aktif meranti merah ............................................... 9
8
Daya jerap benzena arang aktif meranti merah .......................................... 10
9
Daya jerap biru metilena arang aktif meranti merah .................................. 10
10
Konsentrasi optimum berdasarkan daya jerap iodin .................................. 11
11
Waktu optimum berdasarkan daya jerap iodin ........................................... 11
12
Luas permukaan spesifik (LPS) arang aktif meranti merah dengan
metode biru metilena (BM) dan iodin ....................................................... 11
13
Difraktogram AMM, AAK, dan AAMM terbaik ....................................... 12
14
Isoterm Freundlich adsorpsi Cr oleh AAMM terbaik ................................ 13
15
Isoterm Langmuir adsorpsi Cr oleh AAMM terbaik .................................. 13
16
Isoterm Freundlich adsorpsi larutan iodin oleh AAMM terbaik ................ 13
17
Isoterm Langmuir adsorpsi larutan iodin oleh AAMM terbaik ................. 13
vii
"."!"(
1
Data ekspor arang aktif tahun 2003–2007 .................................................. 18
2
Baku mutu arang aktif teknis menurut SNI 06-3730-95 ............................ 18
3
Penggunaan arang aktif dalam industri ...................................................... 19
4
Diagram alir penelitian ............................................................................... 20
5
Tungku pengarangan dan aktivasi .............................................................. 21
6
Rendemen arang kayu meranti merah ........................................................ 21
7
Tanur untuk membuat arang aktif yang terbuat dari baja nirkarat yang
dilengkapi dengan termokopel ................................................................... 22
8
Rekapitulasi dan perhitungan data kualitas arang aktif meranti merah...... 23
9
Bobot dan waktu optimum ......................................................................... 27
10
Luas permukaan spesifik (LPS) ................................................................. 28
11
Analisis difraksi sinar-X (XRD)................................................................. 30
12
Analisis ragam untuk uji daya adsorpsi terhadap logam Cr dan Mn .......... 30
13
Isoterm Freundlich dan Langmuir untuk adsorpsi logam Cr dan larutan
iodin oleh AAMM terbaik .......................................................................... 31
14
Penentuan bobot (dosis) AAMM terbaik untuk uji aplikasi terhadap
limbah Cr .................................................................................................... 32
viii
1
Arang aktif merupakan material yang
dapat
mengadsorpsi
senyawa-senyawa
tertentu yang ingin dikeluarkan dari suatu
sistem. Arang aktif banyak digunakan sebagai
bahan pengadsorpsi polutan berkadar rendah,
misalnya dalam pemurnian air, industri
makanan, minuman, kimia, dan farmasi.
(Redjeki et al. 2006). Kebutuhan dunia
industri di luar negeri terhadap arang aktif
terus meningkat. Dari data Departemen
Kehutanan (2008), volume ekspor arang aktif
tahun 2003–2007 mengalami peningkatan
(Lampiran 1).
Arang aktif dapat dibuat dari berbagai
bahan baku yang mengandung karbon, di
antaranya kayu (Othmer 2004). Jenis kayu
yang pernah dibuat arang aktif antara lain
Pinus merkusii, Paraserianthes falcataria,
dan Acacia magnium, sedangkan jenis kayu
meranti merah (Shorea sp.) belum banyak
digunakan. Kayu meranti merah banyak
digunakan sebagai kusen bahan bangunan dan
dalam pembuatannya banyak menghasilkan
limbah kayu. Untuk memanfaatkan limbah
kayu tersebut, dicoba untuk membuat arang
aktif dan diuji daya adsorpsinya. Sebagai
pembanding, digunakan arang aktif komersial
yang ada di pasaran. Arang aktif komersial
biasanya terbuat dari tempurung kelapa yang
mempunyai struktur makropori lebih sedikit
dibandingkan dengan arang aktif dari bahan
kayu (Pari 2004).
Penelitian ini merupakan lanjutan dan
pengembangan dari penelitian sebelumnya
yang dilakukan oleh Redjeki et al. (2006).
Pada penelitian tersebut, arang aktif dibuat
menggunakan asam fosfat sebagai bahan
pengaktif dan dipanaskan pada suhu 900 °C
tanpa variasi perlakuan. Diperoleh arang aktif
yang memiliki daya adsorpsi cukup baik
dengan daya jerap iodin mencapai 908.3 mg/g.
Namun, kadar airnya tinggi, yaitu 20.77%,
dan tidak memenuhi persyaratan Standar
Nasional Indonesia (SNI 1995), yaitu
maksimum 15% untuk arang aktif berbentuk
serbuk.
Tujuan penelitian ini ialah membuat,
menguji kualitas, dan membandingkan daya
adsorpsi arang aktif dari kayu meranti merah
dengan arang aktif komersial yang diaktivasi
secara kimia dan fisika. Standar yang
digunakan dalam uji kualitas arang aktif ialah
SNI nomor 06-3730-1995 (Lampiran 2) untuk
parameter kadar air, zat terbang, abu, dan
karbon terikat, serta daya jerap iodin, biru
metilena, dan benzena. Selain itu, penelitian
ini bertujuan menentukan perlakuan terbaik
yang memberikan daya jerap paling optimum
berdasarkan waktu steam uap air dan bahan
kimia yang digunakan pada proses aktivasi,
mencirikan pola struktur dan isoterm adsorpsi,
serta menguji aplikasi arang aktif terhadap
polutan dalam limbah industri.
"/#
) "($%
) "&
Kayu meranti merah memiliki nama
botanis Shorea sp. dan termasuk dalam famili
Dipterocarpaceae.
Kayu
ini
beragam
warnanya mulai dari hampir putih, cokelat
pucat, merah, cokelat muda, atau cokelat tua.
Teksturnya agak kasar sampai kasar dan
merata dengan arah serat kadang-kadang
hampir lurus atau bergelombang. Permukaan
kayu licin atau agak licin dan kebanyakan
agak mengilap.
Kayu meranti merah pada umumnya
mudah diolah. Kayunya mudah digergaji dan
diampelas dengan baik sehingga banyak
digunakan
sebagai
bahan
bangunan
perumahan seperti kaso, pintu, dan jendela
serta balok. Selain itu, dapat digunakan
sebagai kayu perkapalan (perahu, kapal kecil,
dan bagian-bagian kapal), peti mati, peti
pengepak, dan alat musik (pipa organ).
Daerah penyebarannya ada di seluruh
Sumatera, Kalimantan, Sulawesi, dan Maluku
(Heyne 1987).
"(0
Menurut Djatmiko et al. (1985), arang
adalah bahan padat berpori hasil pembakaran
dari bahan yang mengandung unsur karbon.
Sebagian besar pori-porinya masih tertutup
oleh hidrokarbon, ter, dan senyawa organik
lain. Komponen arang terdiri atas karbon
terikat, abu, air, nitrogen, dan sulfur. Arang
kayu merupakan residu hasil penguraian atau
pemecahan kayu karena panas, sebagian besar
komponen kimianya adalah karbon.
"(0 1$%'
Menurut Hartoyo (1974), arang aktif
berbentuk amorf, berwarna hitam, tak berbau,
tak berasa, serta mempunyai daya adsorpsi
jauh lebih besar dibandingkan dengan arang
yang belum diaktivasi. Daya adsorpsi dapat
2
digambarkan oleh luas permukaan spesifik
(luas permukaan/gram). Umumnya luas
permukaan spesifik arang aktif berkisar antara
500 dan 1500 m2/g.
Arang aktif dapat dibedakan dengan arang
dari sifat permukaannya. Permukaan arang
masih ditutupi deposit hidrokarbon yang
menghalangi keaktifannya. Pada arang aktif,
permukaannya telah bebas dari deposit
hidrokarbon sehingga mampu melakukan
adsorpsi pada pori-porinya yang telah terbuka
(Syarief 1997).
Pembuatan arang aktif dapat dilakukan
melalui tahapan penghilangan air (dehidrasi),
perubahan bahan organik menjadi unsur
karbon (mengusir unsur non-karbon), dan
dekomposisi ter sehingga pori-pori arang
menjadi
besar.
Pertama-tama,
bahan
dipanaskan sampai suhu 170 oC untuk
mengeluarkan CO2, CO, dan uap asam asetat.
Pada suhu 275 oC terjadi dekomposisi bahan
dan terbentuk hasil samping seperti ter,
metanol, dan fenol. Hampir 80% unsur karbon
diperoleh pada suhu 400–600 oC. Selama
proses pirolisis ini, bahan sumber karbon
mengalami fragmentasi yang akhirnya
membentuk struktur heksagonal yang
termostabil (Pari 2004).
Pada umumnya arang aktif digunakan
sebagai bahan pembersih dan penjerap, juga
sebagai bahan pengemban katalis. Pada
industri karet ban, arang aktif yang
mempunyai sifat radikal dan serbuk sangat
halus, digunakan sebagai bahan aditif
kopolimer (Lampiran 3).
*
2%
Menurut
Atkins
(1999),
adsorpsi
merupakan peristiwa terakumulasinya partikel
pada permukaan/antarmuka. Partikel yang
terakumulasi dan terjerap oleh permukaan
disebut adsorbat dan material tempat
terjadinya adsorpsi disebut adsorben.
Proses adsorpsi terdiri atas 2 tipe, yaitu
adsorpsi kimia dan fisika. Pada adsorpsi kimia,
molekul menempel pada permukaan melalui
pembentukan ikatan kimia. Ciri-cirinya adalah
terjadi pada suhu tinggi, interaksinya kuat,
terbentuk ikatan kimia (umumnya kovalen)
antara permukaan adsorben dan adsorbat,
entalpinya tinggi (∆H 400 kJ/mol), adsorpsi
terjadi hanya pada satu lapisan (monolayer),
dan energi aktivasinya tinggi. Sementara
adsorpsi fisika adalah penempelan adsorbat
pada
permukaan
melalui
interaksi
antarmolekul yang lemah. Ciri-cirinya, terjadi
pada suhu rendah, jenis interaksinya ialah
reaksi antarmolekul (gaya van der Waals),
entalpi rendah (∆H